光热和水分条件对石灰岩山地侧柏人工林更新的影响

王斐，臧丽鹏

(1.山东省林业科学研究院，山东 济南 250014；2.中国林业科学研究院,北京 100083)



光热和水分条件对石灰岩山地侧柏人工林更新的影响

王斐1，臧丽鹏2

(1.山东省林业科学研究院，山东 济南 250014；2.中国林业科学研究院,北京 100083)

摘要侧柏(Platycladus orientalis )是我国荒山造林、水土保持和涵养水源的重要常绿树种之一。它适应环境的能力强，栽培范围广,常被栽植于我国的石灰岩山地上。耐干旱瘠薄是公认的侧柏生态学特性之一，但是，侧柏幼苗和幼树的更新和生长受山地环境影响较大。 通过热红外成像法移动观测山体光热能量的分配特征,利用SketchUP软件三维阴影分析的功能进行林窗日照和遮阴分布的计算机模拟，以及在山东省侧柏主要栽培区对山地林窗幼苗进行实地调查研究,结果表明：侧柏苗适合栽培在湿润而光照充足的立地上。山地阴坡和阳坡、山谷和山脊的光照和湿度的差异导致侧柏幼苗更新的变化,以至于一边因密度过大而出现严重的种内竞争，另一边因幼苗更新不畅而常出现林窗和空地。因此，需要通过适度的人工抚育和管理来解决该问题，以便在我国北方地区建立起稳定和完善的侧柏森林生态系统。

关键词侧柏；林窗;天然更新;日照模拟;红外热温;遮阴;汇水面

侧柏(Platycladusorientalis)系单种属常绿叶树种。 侧柏天然林主要分布于中国华北以及东北、华东、西南局部山区,人工栽培遍及中国大陆各省区，尤其是干旱瘠薄的石灰岩山地。侧柏对土壤的适应性广,从石灰性土壤到棕壤、褐土等均可生长，尤其是在其他树种难以生存的裸岩山地常见到丛生的灌木状侧柏林。在这种干旱瘠薄的土壤上侧柏群落相对稳定，其耐干旱瘠薄的特性赢得了人们的青睐,以至于成为我国华北、西北等地区主要的荒山造林树种。尽管侧柏结实量很大，种子易于萌发，但在侧柏人工林干旱的空旷阳坡环境和密闭的阴坡环境下其苗木和幼树并不多见。为此，我们在山东省侧柏主要栽培区的济南、淄博、枣庄等地进行了详细的考察。结果发现，侧柏幼苗常集中生长于母树树冠侧下方，伴随着幼苗的成长势必出现严酷的种内竞争。其中一些苗木成功地进入树冠层，而另一些则严重受压而弯曲、衰退甚至枯萎。除林缘和林窗以外，在郁闭的树冠下面难以见到新生幼苗的踪迹。尽管国内对侧柏的研究为数众多[2-6],但是针对侧柏林窗幼苗的空间分布以及幼苗适应环境特殊性的研究并不多见。本研究通过热红外成像法近距离移动观测山体光热能量分配的地面真实特征,用SketchUP软件进行计算机模拟林窗光照 的分布情况，追踪林窗阴影的踪迹。在此基础上，发现侧柏幼苗分布和生长与林窗光热能量再分配有关，表明侧柏幼苗对环境具有特殊适应性。

1材料与方法

1.1红外热像温度的移动观测

在山东省,除了少量的零星栽培以外,侧柏大多栽培在山地环境中,尤其是石灰岩山地。而山地环境与平原的最大区别在于其光能在不同坡向和坡位的再分配[8,9]。山地环境的土壤湿度也不尽相同。热红外成像技术不仅可以反映观测对象的温度，而且在一定程度上也提供其湿润状况(含水率等)的信息[10]。因此，本研究设计了山林地近距离热红外图像的地面真实观测研究。红外热像用NEC H2640 热红外相机(波长8～13 μm)拍摄。该相机的测温范围为-40～500 ℃，最小感温能力0.03 ℃。在设定红外相机为自动灵敏度和0.98的发射系数的状态下，手持热红外摄像机于目标林地上方150 cm处调焦清晰后拍摄红外热像。

鉴于热红外成像设备价格不菲,使用多台同型号的设备同时在多点拍摄不太现实。为了尽可能同时观测同一山体不同方位的热像温度值以增加数据的可比性，我们设计了应用一台热红外相机移动拍摄红外热像的观测方法[11]，定时观测了济南市馍馍山(117°03′28″ E ,36°38′13″ N)8个方位的热像温度。馍馍山山体浑圆是进行山地光照和热能分配特征的理想观测环境。热像是于山体中部侧柏林木比较均匀、树冠完全遮蔽而且没有地被物的地面上拍摄的。每个观测点重复拍摄5次。观测点的方位分别是北、东北、东、东南、南、西南、西、西北，从9：00—15：00每小时一个轮回。结果按公式1计算各点的平均热温数值：

(1)

其中，ITi是第i个方位的平均热象温度，i=1，2，…8；tij是第i个方位在j时的热象温度值，j=1，2，…6。

1.2林地指温差指数和土壤含水量的对应观测

2015年夏季，在山东省林业科学研究院燕子山林场(117°03′36″E ,36°38′58″N)侧柏生态公益林的阳坡(东南、南和西南)和西坡(西和西北)，于太阳落山1 h后,以观测者手指的热像温度为参照,应用NEC H2640 热红外相机在不同密度的疏伐林地(扒开枯枝落叶层)的土壤上方30～50 cm处拍摄红外热像;然后应用公式2计算土壤的指温差指数[12]。

(2)

其中：TDlf是指温差指数,Tli为第i重复观测的热温数值，Tfi为第i重复观测的手指热温数值，n为重复数，一般重复5次。

在拍摄热红外图像的同时采取土样，用称质量法测定其含水率，并进行对比分析。

1.3山地侧柏林窗日照率和日照时数分布特征的SketchUP软件模拟

SketchUp 是一个简便、易用的3D设计软件， 软件可按物体地理空间位置和时间序列显示其阴影，适合实时解析树荫和日照的关系。洪文祥(2012)[13]曾应用该软件研究了高层建筑物阴影的观测精度以及阴影对花木的影响。安洁玉等(2010)[14]用此软件配合Google Earth的二维影像计算建筑物高度等。以山东省林业科学研究院燕子山林场侧柏生态公益林为模板,应用Google SketchUP 2014软件建立密度3 000株·hm-2、树高6～7 m、冠幅2.1 m的模拟侧柏林地，并分别在东南阳坡和西北阴坡(坡度30°)设计出长约10 m、宽5～6 m的数字化模拟现实林窗。从5:00—19：30，以30 min的时间间隔，分别截取每个林窗夏至日的RGB图像。然后，用点阵法获取林窗内光照或阴影的分布信息。依据林窗大小分别在东南坡和西北坡的林窗内设置146和197个样点。然后将阴影样点数量化为1,光亮样点为0，经统计计算每幅图像的阴影分布数据，绘制日照时数分布图和林窗日照率的日变化曲线图， 研究林窗光照的时空轨迹。其中林窗日照面积率的数值计算见公式3：

(3)

其中,IRi为第i时林窗日照面积率,Xij为第i时第j个赋值为0的样点,j=1,2,…m;Yik第i时第k个赋值为1的样点,k=1,2,…n。

林窗内各样点的日照时数值的计算见公式4：

(4)

其中,IPi为第i个林窗样点的日照时数(以30 min为一个单位),Xij为第i个样点在第j时的赋值为0,j=1,2,…m。

为了客观反映疏伐林地内侧柏幼苗和幼树上方的光照状态，我们应用CI110 冠层分析仪观测了侧柏幼苗和幼树上方的透光度数值。在操作方法上，为了尽可能地避免强光的影响，观测基本上在光线比较柔和的条件下进行的。观测时，使用该设备的默认设置，视域范围为150、初始天顶角0度，结束天顶角70度，阈值50。

1.4侧柏林窗更新苗数和苗高的观测

为了研究侧柏幼苗和幼树在林窗内的发生和分布受光照和遮阴条件的影响，分别以山地的东南、南和西北坡作为观测地点，选择典型的林窗各5个，大小一般约5 m×10 m。依据林窗的方位将林窗分为遮阴面和透亮面。然后分别计数各面的幼苗和幼树棵树，同时用钢卷尺量测每株苗木/幼树的高度。 为了增加可比性，避免新生苗数量的影响，对苗高进行统计分析时常用最高的50～170株幼苗/幼树的高度作为基本统计数据。

1.5数据处理

对更新苗木调查数据进行Fisher分布统计假设检验，并将检验结果的F值置于图内相应的位置，其中‘*’ 是指以95%概率差异显著，‘**’ 意为99%概率差异显著。统计计算是在Excel 2003软件中完成的，相应的制图是用Google SketchUP 2014、Excel 2003和Photoshop CS等软件完成的。

2结果与分析

2.1山地和林窗环境光热能量的再分配、土壤湿度和播种出苗率

本研究经过精心设计，进行了山地热红外成像的移动观测。经侧柏山林地8个方位(N、NE、E、SE、S、SW、W、NW) 6 h内的巡回观测，其平均热温值见图1a。

图1山地侧柏林和林窗光和热量分布的移动观测和计算机模拟

a. 济南林场馍馍山侧柏林不同方位(其中N-北，Ne-东北,E-东，Se-东南，N-南，Sw-西南，W-西，Nw-西北)的热象温度移动观测值;b. SketchUP 软件模拟山地不同方位的侧柏林窗光照面积率(IR)的日变化趋势;c. SketchUP 软件模拟山地东南坡侧柏林窗内各样点日照时数(IP)的空间分布特征;d. SketchUP 软件模拟山地西北坡侧柏林窗光照时数(IP)的空间分布特征

显然，位于阳坡的南、东南和西南各坡向的光照和热量明显高于北、东北和西北的阴坡环境，而半阴半阳的东和西坡介于其中。 阳坡的正南和西南方位的热温最高，北和西北坡接受热能少、热温最低,相对阴湿。应用SketchUP 软件计算机模拟山地侧柏林窗内的光照特征表明不同坡向差异较大。以东南阳坡和西北阴坡为例，东南坡主要在14：00之前接受阳光照射，而光照高峰时段出现在10：00—12：00之间。这时太阳高度角大，在正午阳光照射下，地面接收能量多而强 (图1b-东南坡)。西北坡主要在11：00以后接受阳光照射，而光照高峰时段出现在14:00—16：00之间。这时太阳高度角渐小，斜射的阳光受树冠的影响使地面接收能量较少且弱(图1b-西北坡)。另一方面，无论是东南还是西北坡，林窗的北面均接受相对较多的光照。东南坡的西北向和西北坡的东北向往往是日照时数最高的地段。无论东南还是西北坡向，林窗内均可区分出明显的遮阴面(日照时数0～7 h)和透光面 (日照时数8～14 h)(图1c，1d)。

2015年夏季，在不同疏伐强度(每666.7 m2保留株树分别为80、105、120、135、170、200等)和坡向的林分内观测到土壤含水率与指温差指数的正相关关系(图2a)。这意味着在疏伐强度较大的林地内，林地透光度大，光照相对充足；土壤热温较高、指温差指数也越小，土壤蒸发速度相对较快，土壤含水率相对较低。相反，在疏伐强度较小或者未经疏伐的林地内，林地透光度小、光照相对不足，土壤热温较低、指温差指数也越大，土壤蒸发速度相对较慢，土壤含水率相对较高。如图1a所示,这种相关关系也受坡向的影响：阳坡接收的太阳辐射较多，地温偏高、土壤相对干燥；阴坡接收的太阳辐射较少，地温偏低、土壤相对湿润。

图2侧柏播种出苗率/保存率、土壤含水率与指温差指数和林地透光度的关系

a. 土壤含水率与指温差指数的相关关系；b. 出苗率与透光度的相关关系；c.出苗率与指温差指数的相关关系;d. 保存率与透光度的相关关系

在山东济南，经历2014年度少雨干旱之后2015年夏季依然降水不足。因此，在上述疏伐林地中播种充分催芽的种子，其出苗率与林地透光度之间呈反函数相关关系(图2b)、与林地的指温差指数之间呈显著的正相关关系(图2c) 。说明综合反映林地光照和湿度的指温差指数比仅反映光照状态的透光度与出苗率的关系更密切，对出苗率的作用也更大。显然，在相对干旱的环境中侧柏种子的萌发受土壤湿度的影响较大。在土壤相对干旱、指温差指数较小的阳坡播种出苗率明显偏低；而在相对阴湿、指温差指数较大的阴坡，播种出苗率较高。相对阴湿的未疏伐林地中出苗率高于强度疏伐的林地。然而，由于试验林地密度较大，未疏伐的地块每666.7 m2中有侧柏200株以上，林地光照不足，幼苗地上、地下生长不平衡；雨季过后，侧柏幼苗很快因根系发育不良而干枯。所以，侧柏幼苗保存率与林地透光度之间呈明显的正相关关系(图2d)。

2.2山体异向林窗内侧柏幼苗的分布

在侧柏生态公益林中,中幼林的林分常密度过大而形成单层纯林。在这些过密的林分下，很少能看到侧柏幼苗和幼树。侧柏苗大多分布在林窗、林缘附近。在接受阳光最多的东南、南和西南阳坡上，林窗内苗木大多分布在侧方庇荫的一面(图3a)；在侧方遮阴的环境条件下,侧柏幼苗不仅数量多，而且长势好、苗高也高(图3a)。在接受阳光较少的北和西北坡，幼苗和幼树主要分布在透亮的一面，遮阴面苗木数量少、长势差、苗木低矮(图2b)。个别情况下，遮阴面甚至没有幼苗存在(图3b)。

同样是西北坡，尽管遮阴面幼苗数量和质量均不如透光的一面，下坡位往往幼苗数量较少，长势弱(图2c)，而中上坡位幼苗数量较多，长势旺盛(图3d)。中上坡位与林窗透亮区域的相似之处在于二者均接受更多的光照。 显然，光热能量在不同坡向和坡位上的再分配直接导致侧柏的生长和更新的差异。侧柏幼苗在干热的环境中喜欢一定遮阴，而在阴湿的环境中又需要足够光照维持生存。也就是说侧柏幼苗需要在优化的光照和水分条件下才能正常的生长。 在阳坡光照相对充足的环境中,过分干燥成为其限制因素,幼苗和幼树常出现在侧方庇荫的一面。而在阴坡光照相对匮乏的环境中，光能不足成为限制性因素，侧柏幼苗和幼树大多生长在透光的一面。

图3侧柏更新苗木数量和高度实测结果

a阴坡(西北坡),b阳坡(西南坡),c 下坡位(西北坡) ,d中上坡位(西北坡);其中苗高all意指全部苗木的平均高,苗高173意指最高的173株优势苗木平均高，依此类推

2.3特殊立地条件下侧柏幼苗的更新和生长

进一步深入调查发现，在一些干旱的阳坡坡面上，即使林木密度和光照条件适中，侧柏幼苗和幼树也很少(图4a)。林地中局部汇水面常密集生长着众多的幼苗和幼树(图4a)。在山地水沟边缘同样着生较多的幼苗，由于土壤水分有效性差异，同一条水沟的上部(图4b)往往比水沟下部的幼苗数量少，生长量也小(图4b)。

在相对比较干旱、林地尚未郁闭的环境中，同一山体的西北坡接受太阳光能少、相对阴湿，侧柏幼苗、幼树数量较多(图4c)、个体大(图4d)。由于山体的东南坡接受太阳光能相对较多、相对干燥，侧柏幼苗、幼树数量少(图4c)，个体也小(图4d)。

图4干瘠山地环境中侧柏天然更新苗分布特征

a. 汇水坡面与正常坡面立地的更新苗木数量；b. 沟头和沟底的更新苗数量；c. 东南坡与西北破的更新苗数；d. 东南坡与西北坡苗高(上层50株)的差异

3讨论与结论

本研究通过热红外成像技术和SketchUP软件的计算机林窗阴影模拟,用不同的方法取得了山地气象观测研究相似的结果,且与近年来有关林窗光照环境的研究结果相吻合。相比之下，热红外成像技术和计算机林窗阴影模拟更加方便快捷，为研究森林小气候、森林更新等开辟了新径。

目前人们普遍认为侧柏是喜光树种，同时侧柏幼林能耐一定程度的庇荫。 本研究的结果在一定程度上支持这一论点。但是，从某种意义上讲，与此论点并非完全相同。 树木的耐阴性通常认为是它们在林冠下生活的能力[16]。就郁闭的侧柏林下少有苗木和幼树而论，侧柏的确是喜光树种。在密度较大的侧柏林分中，幼苗和幼树往往因严重受压而弯曲、衰退甚至枯萎。一些植株向光生长而使主干弯曲，个别植株几乎是从直立直接横向生长。另一方面，树木在林下不仅受光照环境的影响，还受土壤湿度[16]等因素的限制。在北和西北坡相对湿润环境中，干热等并非限制性因素，侧柏苗木多生长在透光的一侧；在庇荫的一侧或者没有幼苗和幼树，或者生长较弱，这似乎与幼苗耐阴产生矛盾。在光线不足的环境中难以生存也进一步证明侧柏是喜光的，也包括幼树和幼苗。 然而，在南或东南阳坡相对干燥的环境中，光照并非限制性因素[16]。土壤湿度等成为侧柏苗木长存的限制因素， 侧柏苗往往只生长在侧方或上方庇荫的条件下， 而在无庇荫的全光照环境下几乎没有侧柏幼苗的存在。就此而论，侧柏幼苗并非可以认为是“耐阴”，而应该理解为“喜湿”。也就是说，侧柏是喜光树种，幼时稍不耐旱， 尤其是阳坡林窗内的干热区域。

研究发现,在一些干旱瘠薄的阳坡甚至在全光照环境条件下，侧柏幼苗大量着生于山地汇水面、水沟两侧以及山地沟谷两边，这说明侧柏幼时喜光、喜湿润环境。似乎与目前普遍接受的侧柏“耐干旱瘠薄”相矛盾。其实，侧柏正是在这种矛盾的过程中成长的。侧柏之所以耐干旱瘠薄，除了其鳞叶保水能力强，似乎与适应性强的根系有关。据报道，侧柏的根系随环境的不同而表现出很大的可塑性[17]。侧柏的水平根发达，时而也有斜生主根。细根大多分部在表层10～30 cm土壤范围内，尽管在土层较厚的环境中能伸展的更深[2,5,17]。侧柏基本上属浅根系树种[5,6]，横向生长的水平根更加适合在薄层的山地土壤上生长，在土壤水分匮乏时有足够的能力横向寻找水源。有报道称其主根在风化的花岗岩层沿岩缝向下伸延1 m多[17]。侧柏幼苗和幼树之所以不耐干旱，因为侧柏幼苗根系尚未完善，据观察侧柏幼苗的根系呈主根系状，水平根和侧根并不发达，短时间内很难将根系拓展到有足够“水源”的地方。而在侧柏母树庇荫下的相对阴湿环境中，消耗水分更少,比较适合其生长。

参考文献：

[1]许牧农.侧柏林,徐化成，等.中国森林：第2卷.北京：中国林业出版社，1999：1065-1072

[2]周长瑞,孙怀锦,郭善基.论侧柏.山东林业科技,1981(3):63-67

[3]程高芳,张志诚.太行山区侧柏天然更新规律初探.河南林业科技,1988(1):37-38

[4]鲁法典,韩峻,李超.泰山侧柏林下幼树分布规律及天然更新研究.河北林果研究,2006,21(1):29-31

[5]刘元本，刘玉萃.河南森林.北京：中国林业出版社,2000：134-142

[6]冯林.内蒙古森林.北京：中国林业出版社，1989：162-165

[7]王进欣,王今殊,张一平，等.西双版纳干季人工林林窗边缘增温效应初步分析.徐州师范大学学报：自然科学版,2002,20(2):61-65

[8]傅抱璞.山地气候.北京：科学出版社,1983：89-139

[9]赵胜亭,宋秀英.基于DEM的栖霞山区日照时数模拟研究.农业网络信息,2011(5):15-18

[10] Wang F,Yamamoto H,Ibaraki Y,et al. Detecting Leaf Necrosis and Branch Dieback of kousa Dogwood Trees after Transplanting Shock by Amplified Variation of Imaging Temperature . Journal of Agricultural Meteorology，2010,66(2)：81-90

[11] Takayama N,Yamamoto H,Zhang J Q，et al. Development and Application of Mobile Observation Method of Urban Climate To Analyze Occurrence of Heat-Island in ChangChun City of China . AIJ Journal of Technology and Design,2009,15(31): 827-832. (In Japanese)

[12] 王斐，吴德军，翟国锋，等.侧柏衰弱木和蛀干害虫受害木的热红外成像检测.光谱学与光谱分析,2015，35(12):3410-3415

[13] 洪文祥.武汉市建筑阴影分析及绿化植物选择的研究.武汉：华中农业大学，2012

[14] 安洁玉,程朋根,丁斌芬.基于Google Earth二维影像获取建筑物高度的方法.地理与地理信息科学,2010,26(6):31-33,37

[15] Wang F，Omasa K. Image measurements of leaf scorches on landscape trees subjected to extreme meteorological event . Ecological Informatics,2012(12):16-22

[16] 斯波尔SH，巴恩斯BV.森林生态学.赵克绳,周祉,译.北京:中国林业出版社，1981：282-294

[17] 向师庆.北京主要造林树种的根系研究.北京林学院学报，1981(2):19-32

Effect of the Photothermal and Water Conditions on Regeneration ofPlatycladusorientalisPlantation in Calcareous Mountain Sites

Wang Fei1,Zang Lipeng2

(1.Shandong Forestry Research Academy,Jinan 250014,China;2.Chinese Academy of Forestry,Beijing 100083,China)

AbstractPlatycladus orientalis is one kind of important evergreen tree species for soil and water conservation in barren mountain. With strong adaptability to the environment,it is often planted in the limestone mountainous region. Although it is considered as a tree species tolerant to drought and barren site condition,the regeneration and growth of its seedlings and saplings is significantly affected by mountain environment. Partition characters of light and heat energy of mountain were observed;computer simulation of gap sunshine and shading distribution were conducted by function of shadowing analysis for three-dimensional by infrared thermography by using SketchUP software the seedlings in the gap on the mountain were investigated in the main cultivation area of P. orientalis in Shandong Province. Result shows that seedlings of P. orientalis was suitable for planting in moist and light site. Changes of regeneration of P. orientalis seedlings caused by shady slope and sunny slope of mountain and sunshine and humidity of mountain-valley and ridge.Differences and sunny mountain slope,valleys and ridges of light and humidity causechanges of P. orientalis seedlings;appropriate tending and management was needs to be solve this problem.Too large density cause serious competition;poor regeneration for seedling cause gap and open space. Therefore,it needs to solve the incompatibility by proper tending and management of the Platycladus orientalis plantation in order to make a perfect and stable Platycladus orientalis forest system.

Key wordsPlatycladus orientalis；canopy gap;natural regeneration;sunshine simulation;infrared heat temperature;shading;catchment area

文章编号：1005-5215(2016)07-0001-06

收稿日期：2016-04-08

基金项目:国家自然科学基金(31170671);山东省科学研究计划项目(2012GNC1117)

作者简介：王斐,博士，研究员,主要从事气象学、树木生理生态学和光谱分析以及林木栽培管理等研究.

中图分类号：S718.5;S791.38;S754.1

文献标识码：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.07.001